[发明专利]一种离子掺杂型电光晶体材料的制备与应用

说明书

技术领域

 本发明涉及利用金属氧化物合成一种新型的离子掺杂晶体材料的制备方法及其应用，属于电光功能晶体材料研究领域。 

背景技术

电光效应是介质在外加电场的作用下折射率发生变化的现象，利用晶体材料的电光效应可实现光的相位、强度和传播方向的调制，电光调制由于高效率、快响应以及非机械性（无惯性）等优点，通常用于制作激光调制器、扫描器和光开关等器件，广泛应用于激光雷达、激光测距、生物医学显微成像等高精尖科研领域。目前应用较为广泛的电光调制晶体一般为一些具有线性电光效应的单轴晶，如KDP、LN等，但由于这些晶体的电光系数较小，调制器的尺寸和驱动电压难以同时兼顾，通常需要非常高的电压才能得到实用的偏转角度，光开关的效率也较低，无法满足实际应用要求。 

KTa_1-xNb_xO₃(简称：KTN)晶体是已知的具有最大二次电光效应的晶体，其二次电光系数可达10^-14m²/V²量级，是LN晶体的近百倍，因此基于KTN晶体二次电光效应的光学器件在降低驱动电压、减小器件尺寸方面更具优势，更能满足未来电光器件小型化、集成化发展的需要。尽管KTN晶体优异的电光性能早已为人所知，但由于生长条件苛刻，难以得到可实际应用的大尺寸、高质量单晶，使得该晶体的应用一直受到很大限制。近年来，由于晶体生长制备技术的改进，国内外对于KTN晶体的生长获得很大进展，目前已经成功获得高质量、大尺寸KTN单晶，晶体质量和尺寸已经达到器件制作要求，随着晶体生长和加工工艺的不断成熟，KTN晶体电光元调制器件已经逐步从实验室研究转向产品开发与应用阶段。 

由于KTN晶体的无限固溶体特征，难以获得高均匀性的单晶，目前限制KTN晶体电光元器件应用的一个突出问题是由于晶体的组分波动而导致的光束散射，特别是在光程较长和光束直径较大的情况下，难以获得令人满意的调制效果。文献报道某些金属离子掺杂可以显著改善KTN晶体的光折变性质，受此启发，为优化KTN晶体的电光性能以进一步减小器件尺寸，降低晶体组分波动给器件应用与设计带来的不利影响，本发明针对居里点位于室温附近的KTN晶体进行了金属离子掺杂的研究，获得了较为满意的结果，提高了晶体的二次电光系数，进而降低了调制电压。迄今为止，尚未见有利用离子掺杂方法优化KTN晶体二次电光性能的报道。 

发明内容

本发明采用提拉法生长离子掺杂的KTN晶体，经适当的配料设计和生长工艺优化，得到了不同离子掺杂的M:KTa_1-xNb_xO₃(M=Fe, Cu, Co, Ni; 0.33≤x≤0.5)系列晶体，并针对晶体的二次电光效应提供了一种测定方法。 

本发明技术方案如下： 

一、M: KTa_1-xNb_xO₃晶体

具有通式M: KTa_1-xNb_xO₃的电光晶体，具有钙钛矿结构，其中M=Fe, Cu, Co, Ni，且M含量为0~0.5 wt %；晶体组分中Nb含量为0.33≤x≤0. 5，居里点位于-15~90°C之间，在居里点以上晶体为立方相，m3m点群；居里点以下变为四方相，4mm点群。本发明优选提供Cu:KTa_0.63Nb_0.37O₃，Cu:KTa_0.61Nb_0.39O₃，和Fe: KTa_0.62Nb_0.38O₃晶体，其中：

Cu: KTa_0.63Nb_0.37O₃，居里点9.7°C，熔点1170°C；Cu: KTa_0.61Nb_0.39O₃，居里点24.2°C，熔点1160°C；Fe: KTa_0.62Nb_0.38O₃，居里点15.8°C，熔点1170°C。